汽车主动悬架与电动助力转向系统
多目标优化及集成控制!
袁传义
陈
龙
聂佳梅
江浩斌
（江苏大学）
【摘要】建立了整车主动悬架和电动助力转向系统动力学模型，构建线性控制的主动悬架和ＰＤ控制的电动助力转向系统集成控制器，应用遗传算法对集成控制系统的结构参数和控制参数进行多目标优化。结果表明，经过多目标优化后的集成控制系统，既可保证车辆操纵轻便性，又显著提高了整车操纵稳定性、
安全性和行驶平顺性。主题词：主动悬架电动助力转向系统集成控制优化
中图分类号：Ｕ４６３．３
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００－３７０３（２００７）０９－００１２－０５
Ｍｕｌｔｉ－ＯｂｊｅｃｔｉｖｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｎｄＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｏｎｔｒｏｌｏｆＶｅｈｉｃｌｅ
ＡｃｔｉｖｅＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｏｗｅｒＳｔｅｅｒｉｎｇＳｙｓｔｅｍ
ＹｕａｎＣｈｕａｎｙｉ，ＣｈｅｎＬｏｎｇ，ＮｉｅＪｉａｍｅｉ，ＪｉａｎｇＨａｏｂｉｎ
（ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｖｅｈｉｃｌｅｍｏｄｅｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｏｗｅｒｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｅ
ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆａｃｔｉｖｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｗｉｔｈｌｉｎｅａｒｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｔｅｅｒｉｎｇｍｏｄｅｌｗｉｔｈＰＤｃｏｎｔｒｏｌｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｔｈｒｏｕｇｈｍｕｌｔｉ－ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｃａｎａｓｓｕｒｅｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｖｅｈｉｃｌｅｈａｎｄｌｉｎｇ，ｓａｆｅｔｙａｎｄｒｉｄｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｃｔｉｖｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｏｗｅｒｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ，Ｏｐｔｉ－ｍｉｚａｔｉｏｎ
１前言
鉴于结构参数和控制参数分开设计的传统方法
不能得到全局最优参数的缺陷，本文以主动悬架与电动助力转向系统部分结构参数和控制器参数为优化对象，以整车质心处垂直加速度、转向盘操纵转矩、横摆角速度和质心侧偏角等为优化性能指标，通过遗传算法对集成系统进行多目标优化，并对优化后的系统进行了仿真计算和分析。
２
系统模型的建立
２．１
汽车模型
为了同时研究汽车转向时的操纵特性和行驶平
顺性等整车综合性能，建立了包括车身俯仰、侧倾、横摆等有关车身姿态变化的多自由度整车模型（图１～
图３）。图１转向运动模型
假设在侧向没有滑移，在纵向没有滑移与滑转，整车俯仰运动方程为：
Ｉｙθ¨＝ｂ（Ｆ２３＋Ｆ２４）－ａ（Ｆ２１＋Ｆ２２）
（１）Ｆ２１＝Ｋ２１（Ｚ１１－Ｚ２１）＋Ｃ２１（Ｚ
+１１－Ｚ,２１）－Ｋａｆ２ｄ"－Ｚ１２－Ｚ１１２ｄ
!
"
＋ｆ１
Z 国家自然科学基金项目（５０４７５１２１）；江苏省高新技术项目（ＢＧ２００４０２５）；教育部博士点基金项目（２００５０２９９００５）。
Ｓ２
Ｓ３
Ｓ４
Ｓ１１
２
３
４
ｙ
ｘｖｗｒ
ａ
ｂ
δ
δ
Ｆ２２＝Ｋ２２（Ｚ１２－Ｚ２２）＋Ｃ２２（Ｚ%１２－Ｚ%２２）－Ｋａｆ
２ｄ!－
Ｚ１２－Ｚ１１
２ｄ!"＋ｆ２
Ｆ２３＝Ｋ２３（Ｚ１３－Ｚ２３）＋Ｃ２３（Ｚ%１３－Ｚ%２３）－Ｋａｒ
２ｄ!－
Ｚ１３－Ｚ１４
２ｄ!"＋ｆ３
Ｆ２４＝Ｋ２４（Ｚ１４－Ｚ２４）＋Ｃ２４（Ｚ%１４－Ｚ%２４）－Ｋａｒ
２ｄ!－
Ｚ１３－Ｚ１４
２ｄ!"＋ｆ４
式中，Ｉｙ为车身俯仰转动惯量；θ为车身俯仰角；ａ为前轮到质心距离；ｂ为后轮到质心距离；Ｆ２ｉ为轮胎对悬架质量的法向力（轮ｉ处）；Ｋ２ｉ为悬架刚度（轮ｉ处）；Ｃ２ｉ为悬架阻尼（轮ｉ处）；Ｋａｆ、Ｋａｒ为前、后悬架横向稳定杆角刚度；Ｚ１ｉ为非悬架质量的垂直位移（轮ｉ处）；Ｚ２ｉ为悬架质量处的垂直位移（轮ｉ处）；ｄ为１／２轮距；!为车身侧倾角；ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４为主动悬架作动器作用力。
图２俯仰运动模型
图３侧倾运动模型
当俯仰角θ和侧倾角!在较小的范围内时，近似有：
Ｚ２１＝Ｚｓ－ａθ－ｄ!
Ｚ２２＝Ｚｓ－ａθ＋ｄ!
Ｚ２３＝Ｚｓ＋ｂθ＋ｄ!
Ｚ２４＝Ｚｓ＋ｂθ－ｄ!
式中，Ｚｓ为悬架质量质心处垂直位移。
整车侧倾运动方程为：
Ｉｘ!¨＝ｍｓｖ（β1＋ωｒ）ｈ＋ｍｓｇｈ%＋（Ｆ２２＋Ｆ２３－Ｆ２１－Ｆ２４）ｄ（２）式中，Ｉｘ为车身侧倾转动惯量；ｍｓ为悬架质量；ωｒ为横摆角速度；ｖ为汽车速度；β为质心侧偏角；ｈ为侧倾中心高度。
整车侧偏和横摆运动方程为：
ｍｖ（β2＋ωｒ）－ｍｓｈ%¨＝ｓ１＋ｓ２＋ｓ３＋ｓ４（３）
Ｉｚω%ｒ＝ａ（ｓ１＋ｓ２）－ｂ（ｓ３＋ｓ４）（４）式中，ｍ为整车质量；ｓｉ为轮胎侧偏力（轮ｉ处）；Ｉｚ为横摆转动惯量。
车身垂直运动方程为：
ｍｓＺ¨ｓ＝Ｆ２１＋Ｆ２２＋Ｆ２３＋Ｆ２４（５）非悬架质量的垂直运动方程为：
ｍ１ｉｚ¨１ｉ＝－Ｆ１ｉ－Ｆ２ｉ（６）式中，ｍ１ｉ为非悬架质量（轮ｉ处）；Ｆ１ｉ为轮胎垂直载荷（轮ｉ处）。
２．２ＥＰＳ模型
ＥＰＳ模型采用齿轮齿条式电动助力转向系统模型，其基本组成包括转矩传感器、车速传感器、电控单元、电动机和减速机构等［１］。将前轮和转向机构往转向轴简化，电动机与转向轴间的传动比为Ｇ１，转向轴与前轮间的传动比为Ｇ２，电动机转角为θｍ，汽车前轮转角为δ，小齿轮转角为δ１，则转向盘转角和前轮转角之间的关系为：
θｍ＝Ｇ１δ１（７）
δ１＝Ｇ２δ（８）以转向小齿轮为研究对象进行受力分析：
Ｊｐδ¨１＝－Ｂｐδ%１＋Ｔｍ－Ｔｒ＋Ｔｃ（９）
Ｔｃ＝Ｋｓ（θｈ－δ１）
Ｔｒ＝
ｅ（Ｋ１＋Ｋ２）
Ｇ２
δ１
Ｇ２
ａ
ｖωｒ
－β
!"
式中，Ｔｍ为电动机作用在转向系统上的助力矩；Ｔｃ为转向盘操纵转矩；Ｔｒ为路面作用于轮胎等效至转向柱的力矩；Ｊｐ为折算到小齿轮上的总转动惯量（包括电动机、减速机构、转向小齿轮及齿条的当量转动惯量）；Ｂｐ为当量阻尼系数；Ｋｓ为转矩传感器的刚度；θｈ为转向盘转角；ｅ为前轮拖距。
２．３轮胎模型
为了研究方便，忽略左、右轮胎由于载荷变化引起的轮胎特性变化及轮胎回正力矩的作用，小转角条件下轮胎特性可认为是线性的［２］，轮胎垂直载荷和侧偏力可表示为：
Ｆ１ｉ＝Ｋ１ｉ（Ｚ１ｉ－ｚｉ）＋Ｃ１ｉ（Ｚ%１ｉ－ｚ%ｉ）（ｉ＝１，２，３，４）（１０）ｓｉ＝
Ｋｉａｉｃｏｓδ（ｉ＝１，２）
Ｋｉａｉ（ｉ＝３，４
#
）
（１１）
Ｚ２１Ｃ２１Ｚ１１
Ｚｓ
%
ｈ
Ｚ２２
ｍｓ
ｆ１
Ｋ２１Ｃ
２２ｆ２
Ｋ２２
ｚ１Ｃ１１Ｋ１１
ｍ１１ｍ１２Ｚ
１２
Ｋ１２
Ｃ１２
ｚ２
ｄｄ
Ｋａｆ
Ｚ２４Ｚ２１
Ｚ１４
Ｃ２１
Ｋ２４Ｋ２１ｚ
Ｚｓ
θｍ
ｓ
ｆ１
Ｃ２４
ｍ１４ｍ１１Ｚ１１
Ｃ１４ｚ４
Ｋ１４Ｃ
１１
Ｋ１１
ｚ１ｆ４
ａ１＝ａ２＝δ－β－ａ
ｖωｒ
＋Ｅｆ$
ａ３＝ａ４＝－β＋ｂ
ｖωｒ
＋Ｅｒ$
式中，Ｋ１ｉ为轮胎刚度（轮ｉ处）；ａｉ为轮胎侧偏角（轮ｉ处）；ｚｉ为路面输入位移（轮ｉ处）；Ｃ１ｉ为轮胎阻尼（轮ｉ处）；Ｋｉ为轮胎侧偏刚度（轮ｉ处）；Ｅｆ、Ｅｒ为前、后侧倾转向系数。
２．４路面输入模型
采用滤波白噪声作为路面输入模型［３］：
ｚ+ｉ＝－２πｆ０ｚｉ＋２πＧ０ｖ
!ω（ｔ）（ｉ＝１，２，３，４）（１２）式中，Ｇ０为路面不平度系数；ω（ｔ）为均值为零的Ｇａ－ｕｓｓ白噪声；ｆ０为下截止频率。
２．５汽车运动的状态方程
汽车运动的集成控制状态方程如下：
ｘ+＝Ａｘ＋Ｂｕ＋Ｅｗ（１３）式中，系统状态变量ｘ＝［δδ2βωｒ$$2θθ2ＺｓＺ8ｓＺ１１Ｚ１２Ｚ１３Ｚ１４Ｚ+１１Ｚ+１２Ｚ+１３Ｚ+１４］Ｔ；
控制输入ｕ＝［Ｔｍｆ１ｆ２ｆ３ｆ４］Ｔ；
白噪声输入ｗ＝［θｈ（ｔ）ｚ１ｚ２ｚ３ｚ４ｚ+１ｚ+２ｚ+３ｚ+４］Ｔ。３集成控制系统的多目标优化
主动悬架和电动助力转向系统是多输入多输出的复杂非线性系统，具有众多的结构参数和控制参数，并且参数之间具有耦合作用。为了获得集成系统的全局最优参数，必须对系统的结构参数和控制参数同时进行优化。假设车辆以２０ｍ／ｓ的速度行驶在Ｃ级路面上，采用Ｍａｔｌａｂ遗传算法工具箱实现集成系统结构参数和控制参数的多目标优化［４］，得到主动悬架和电动助力转向系统的全局最优参数。
转矩传感器刚度Ｋｓ的大小决定转向系抵抗路面干扰的能力；转向轴到前轮的传动比Ｇ２对操纵轻便性和转向灵敏性有较大影响；悬架刚度Ｋ２ｉ和阻尼Ｃ２ｉ（ｉ＝１，２，３，４）决定了车辆的行驶平顺性；前后悬架横向稳定杆角刚度Ｋａｆ、Ｋａｒ对车辆横向稳定性影响很大；轮胎侧偏刚度Ｋｉ（ｉ＝１，２，３，４）对车身横摆和侧倾有一定影响；比例系数Ｋｐ和微分系数Ｋｄ为ＰＤ控制器参数。假设车辆前、后悬架两侧具有相同的刚度和阻尼，设前、后轮胎两侧侧偏刚度相等，选取优化设计变量为［Ｇ２、Ｋｓ、Ｋ２１、Ｋ２３、Ｃ２１、Ｃ２３、Ｋａｆ、Ｋａｒ、Ｋ１、Ｋ３、Ｋｐ、Ｋｄ］。
综合考虑车辆的行驶平顺性、安全性和操纵轻
便性，选取悬架质量质心处垂直加速度总方差Ｅ
Ｚ¨ｓ、
转向盘操纵转矩总方差ＥＴｃ、横摆角速度总方差Ｅωｒ
和质心侧偏角总方差Ｅβ作为整车综合性能评价指
标。
对各个评价指标组合并取加权值，作为多目标优化的目标函数，表达式如下：
Ｅ→ｍｉｎω１ＥＺ¨ｓ
２
＋ω２Ｅ
Ｔｃ
２
＋ω３Ｅ
ωｒ
２
＋ω４Ｅ
β
２
ω１＋ω２＋ω３＋ω４
!#$（１４）
约束条件：Ｋｍｉｎ≤Ｋ１，Ｋ２≤Ｋｍａｘ
Ｋａｍｉｎ≤Ｋａｆ，Ｋａｒ≤Ｋａｍａｘ
Ｋｐｍｉｎ≤Ｋｐ≤Ｋｐｍａｘ
Ｋｓｍｉｎ≤Ｋｓ≤Ｋｓｍａｘ
Ｋ２ｉｍｉｎ≤Ｋ２ｉ≤Ｋ２ｉｍａｘ
Ｃ２ｉｍｉｎ≤Ｃ２ｉ≤Ｃ２ｉｍａｘ
Ｋｄｍｉｎ≤Ｋｄ≤Ｋｄｍａｘ
Ｇｍｉｎ≤Ｇ１≤Ｇｍａｘ。
式中，ω１、ω２、ω３和ω４为加权系数；Ｋｍｉｎ、Ｋａｍｉｎ、Ｋｐｍｉｎ、Ｋｓｍｉｎ、Ｋ２ｉｍｉｎ、Ｃ２ｉｍｉｎ、Ｋｄｍｉｎ、Ｇｍｉｎ为优化变量的下限；Ｋｍａｘ、Ｋａｍａｘ、Ｋｐｍａｘ、Ｋｓｍａｘ、Ｋ２ｉｍａｘ、Ｃ２ｉｍａｘ、Ｋｄｍａｘ、Ｇｍａｘ为优化变量的
上限。
４集成控制器的设计
电动助力转向系统采用ＰＤ控制器控制，即：
Ｔｍ＝
Ｇ１Ｋａ
Ｒ（
Ｖ－ＫｂＧ１δ2１）（１５）
Ｖ＝ＫｐＴｃ＋ＫｄＴ8ｃ（１６）式中，Ｋａ为电动机的转矩系数；Ｋｂ为反电动势常数；
Ｒ为电枢电阻；Ｖ为电动机电压；Ｋｐ为比例系数；Ｋｄ
为微分时间常数。
控制系统如图４所示。转向盘操纵转矩Ｔｃ及其变化率作为ＰＤ控制器的输入；再由车身侧倾角$
和质心侧偏角β经过模糊控制器得到助力电机的
电压系数，与ＰＤ控制器输出相乘，实时调整输出助
力电机的电压，得到相应助力转矩。
图４ＰＤ控制系统原理
主动悬架与转向集成控制器包括线性控制力和非线性控制力两部分：
ｆｉ＝ｆＬｉ＋ｆＮｉ（ｉ＝１，２，３，４）（１７）
ｆＬｉ＝ｂＬｉＺ２ｉ（ｉ＝１，２，３，４）（１８）Ｔｒ
Ｔｍ
－
＋Ｔ
ｃ
模糊控制器
转向系统
电机系数
Ｖ
ｄ／ｄｔ
ＰＤ
控制器
$β
式中，ｆＬｉ为线性控制力（轮ｉ处）；ｆＮｉ为非线性控制力（轮ｉ处）；ｂＬｉ为线性控制增益（轮ｉ处）。
非线性控制力则由自适应模糊控制器获得。基本模糊控制器都以偏差Ｅ和偏差变化率ＥＣ作为控制器输入量，控制量Ｕ为输出量，且量化因子ｋｅ、ｋｄ和比例因子ｋｕ是固定不变的。传统模糊控制规则是不可调的，本文根据文献［５］引入一个可调因子α，即：
Ｕ＝α?Ｅ＋（１－α）?ＥＣα∈［０，１］（１９）
α＝１－Ｇｕ（ｅ）
Ｇｕ（ｅ）＝１／（１＋ｅｘｐ（－ａ１（ｅ－ｃ１）））＋
１／（１＋ｅｘｐ（－ａ２（ｅ－ｃ２）））
式中，Ｇｕ（ｅ）为钟形分布目标函数。
当偏差变化较小时，调整因子在较大范围内基本不发生变化，保证了控制规律不发生频繁变化，符合工程实际；而出现大偏差时，调整因子α迅速变化以确保系统能快速稳定。自适应模糊控制器原理如图５所示。
图５自适应模糊控制器原理
图５中ｘｒｅｆ、ｘ0ｒｅｆ是系统输出的期望值，本文取（ｘｒｅｆ，ｘ0ｒｅｆ）均为零。
且有：
ｘｉ（ｔ）＝ｂ１ｉＺ２ｉ＋ｂ２ｉωｒ＋ｂ３ｉθ＋ｂ４ｉδ＋ｂ５ｉ%（ｉ＝１，２，３，４）
（２０）ｘ0ｉ（ｔ）＝ｂ１ｉＺ0２ｉ＋ｂ２ｉω0ｒ＋ｂ３ｉθ6＋ｂ４ｉδ6＋ｂ５ｉ%6（ｉ＝１，２，３，４）
（２１）式中，ｂ１ｉ、ｂ２ｉ、ｂ３ｉ、ｂ４ｉ、ｂ５ｉ为对应的权系数。
以前轮为例，模糊控制器的控制规则如下：前轮作动器作用力随δ、ωｒ增加而相应减小，随Ｚ２ｉ、θ增加而增加；前左轮作动器作用力随%增加而增加，前右轮则相反。根据此规则选取相应权系数的大小与正负。车轮对应处的汽车车身垂直位移、车身横摆角、车身俯仰角、车身侧倾角与相应权系数乘积之和，乘以量化因子即作为模糊控制器的输入Ｅ；其对应的变化率与权系数乘积之和，乘以量化因子作为模糊控制器的输入ＥＣ，其输出为ｆＮｉ；模糊目标根据输入Ｅ，自适应调整可调因子α，确保Ｅ大时使系统快速稳定、Ｅ小时对系统几乎不产生影响。
根据自适应模糊集成控制的汽车主动悬架与转向系统，再结合根据车身姿态改变助力大小的电动助力转向系统，即可实现对汽车主动悬架系统和电动助力转向系统的集成控制。
５仿真计算与结果分析
假设理想操纵转矩为６Ｎ?ｍ，设整车质量为１３３０ｋｇ的汽车以给定２０ｍ／ｓ的车速驶过不平度系数为每个循环５×１０－６ｍ３、下截止频率为０．０１Ｈｚ的路面，设给转向盘以３０°阶跃输入。
假设转向行驶时４个车轮处的路面干扰输入互不相关。某车参数如表１，多目标优化的结果见表２。分别对悬架与转向被动系统和主动悬架与电动助力转向集成控制系统进行了仿真计算，从图６和表３、表４可以看出：集成控制的操纵转矩标准差减少了３４．７％，稳态响应时间也大大减少，而且稳态值基本接近理想操纵转矩，显著提高了汽车转向时的操纵轻便性和稳定性；体现汽车综合性能的横摆角速度、车身侧倾角、车身俯仰角和质心加速度等与被动系统相比，其峰值和标准差均有显著降低；在人类敏感频率１～１０Ｈｚ范围内，采用集成控制后的质心加速度功率谱密度与被动系统相比也有较大衰减，提高了汽车的行驶平顺性和乘坐舒适性。
表１仿真参数
ｘｒｅｆ（ｔ）
ｘ0ｒｅｆ（ｔ）
Ｅ
＋
－
ｋｄ
ｋｅ
求
和
ＥＣ
模
糊
化
模糊目标
规则修改
反
模
糊
ｋｕ
控
制
系
统
Ｕ"＝αＥ"＋
（１－α）Ｅ
#Ｃ
ｘｉ（ｔ）
ｘ0ｉ（ｔ）
参数名称参数值
悬架质量ｍｓ／ｋｇ７７０
前轮非悬架质量ｍ１１、ｍ１２／ｋｇ３５
后轮非悬架质量ｍ１３、ｍ１４／ｋｇ３０
车身横摆转动惯量Ｉｚ／ｋｇ?ｍ２８５０
车身俯仰转动惯量Ｉｙ／ｋｇ?ｍ２８３０
车身侧倾转动惯量Ｉｘ／ｋｇ?ｍ２２３５
前轮到质心距离ａ／ｍ０．９５８
后轮到质心距离ｂ／ｍ１．３７７
侧倾中心高度ｈ／ｍ０．５０５
１／２轮距ｄ／ｍ０．６８
前轮拖距ｅ／ｍ０．０３
前轮胎刚度Ｋ１１、Ｋ１２／Ｎ?ｍ－１１３８０００
后轮胎刚度Ｋ１３、Ｋ１４／Ｎ?ｍ－１１３８０００
前轮胎阻尼系数Ｃ１１、Ｃ１２／Ｎ?ｓ?ｍ－１１５７０
后轮胎阻尼系数Ｃ１３、Ｃ１４／Ｎ?ｓ?ｍ－１１５７０
电动机转矩系数Ｋａ／Ｎ?ｍ?Ａ－１０．０２
反电动势常数Ｋｂ／Ｖ?ｓ?ｒａｄ－１０．０２
电枢电阻Ｒ／Ω０．１
电动机与转向轴的传动比Ｇ１２５
前侧倾转向系数Ｅｆ－０．１１５
后侧倾转向系数Ｅｒ０
表２
优化前、后的参数比较
（ａ）操纵转矩
（ｂ）车身横摆角速度
（ｃ）车身侧倾角
（ｄ）质心加速度
（ｅ）车身俯仰角
（ｆ）质心侧偏角
（ｇ）质心加速度功率谱密度
图６
仿真结果
６结束语
ａ．
分析了汽车结构参数对车辆动力学性能的
影响，并应用遗传算法对主动悬架与电动助力转向系统的结构参数和控制参数进行多目标优化，获得系统的全局最优参数。
表３
峰值结果比较表４
标准差结果比较ｂ．针对主动悬架与转向系统的特点，设计了
自适应模糊控制器，当控制系统偏差变小或变大时，调整因子总能保证系统快速稳定，并且模糊控制器有效地解决了转向效应对主动悬架作动器作用力影响的问题。
ｃ．
设计了电动助力转向系统ＰＤ控制器，并根
据车身姿态调整助力大小，使低速转向具有操纵轻便性和灵敏性，提高了汽车主动安全性能。
ｄ．计算结果表明，汽车主动悬架与电动助力
转向系统多目标优化的集成控制系统和被动悬架与
转向系统相比，稳定性、行驶平顺性和安全性等整车综合性能显著提高。
参
考
文
献
１陈卫平，等．汽车电动助力转向系统的模糊自调整控制研究．合肥工业大学学报，２００５，２８（５）：４９７～５００．２余志生．汽车理论．北京：机械工业出版社，２０００（３）．
３
ＹｕＦ，ＣｒｏｌｌａＤＡ．ＡｎＯｐｔｉｍａｌＳｅｌｆ－ＴｕｎｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒａｎＡｃｔ－ｉｖｅＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎ．ＶｅｈｉｃｌｅＳｙｓｔｅｍＤｙｎａｍｉｃ，１９９８，２９（１）：５１～５６．
４高尚．基于Ｍａｔｌａｂ遗传算法优化工具箱的优化计算．微型电脑应用，２００２，１８（８）：５２～５４．
５
周晓兰．规则自调整模糊控制新算法及其在气温控制中的应用．电力情报，２０００（３）：３３～３６．
（责任编辑
帘
青）
修改稿收到日期为２００７年６月３０日。
参数名称
优化前
优化后
转向轴与前轮的传动比Ｇ２２０
１８转矩传感器刚度Ｋｓ／Ｎ?ｍ?ｒａｄ－１
９０９６前悬架刚度Ｋ２１／Ｎ?ｍ－１２０６００２０７８０后悬架刚度Ｋ２３／Ｎ?ｍ－１１５２００１５３４３前悬架阻尼Ｃ２１／Ｎ?ｓ?ｍ－１１５７０１４８０后悬架阻尼Ｃ２３／Ｎ?ｓ?ｍ－１
１７６０１７８６前悬架横向稳定杆角刚度Ｋａｆ／Ｎ?ｍ?ｒａｄ－１４３５０４４７５后悬架横向稳定杆角刚度Ｋａｒ／Ｎ?ｍ?ｒａｄ－１
４３５０４１５０前轮胎侧偏刚度Ｋ１／Ｎ?ｍ?ｒａｄ－１１７５００１６９８８后轮胎侧偏刚度Ｋ３／Ｎ?ｍ?ｒａｄ－１
１７５００１６８３４比例系数Ｋｐ５０４６微分系数Ｋｄ
３２
５０
４５４０３５３０２５２０１５１０５０
０．２０．４０．６０．８１．０１．２
时间ｔ／ｓ
操纵转矩Ｔｃ／Ｎ?ｍ
被动系统
集成控制
０．１４０．１２０．１００．０８０．０６０．０４０．０２０－０．０２
００．５１．０
１．５２．０
２．５
被动系统集成控制
时间ｔ／ｓ
横摆角速度ωｒ／ｒａｄ
?ｓ－１被动系统
集成控制
０．０８０．０７０．０６０．０５０．０４０．０３０．０２０．０１０－０．０１
０１
２３４５
时间ｔ／ｓ
车身侧倾角"／ｒａｄ
质心加速度Ｚ¨ｓ／ｍ
?ｓ－２２．０１．５１．００．５０－０．５－１．０－１．５被动系统集成控制
时间ｔ／ｓ
０１２３４
５
０．００３０．００２０．００１
０－０．００１－０．００２－０．００３
车身俯仰角θ／ｒａｄ
被动系统
集成控制
０１２３４５时间ｔ／ｓ
被动系统集成控制
０．００５
０－０．００５－０．０１０－０．０１５－０．０２０－０．０２５
０１２３４
５
质心侧偏角β／ｒａｄ
时间ｔ／ｓ
参数名称被动系统
集成控制性能改善
操纵转矩Ｔｃ／Ｎ?ｍ７．１６６０４．６７７０－３４．７％横摆角速度ωｒ／ｒａｄ?ｓ－１０．０４０４０．０３５１１３．１％车身侧倾角%／ｒａｄ
０．０２２５０．０２０４１０．２％质心加速度Ｚ’ｓ／ｍ?ｓ－２
０．６４９９０．４６８７２７．９％车身俯仰角θ／ｒａｄ
０．００１００．０００８２０．０％质心侧偏角β／ｒａｄ
０．００７８
０．００６６
１５．４％
参数名称被动系统
集成控制性能改善
操纵转矩Ｔｃ／Ｎ?ｍ４７．１０５０．２４－６．７％横摆角速度ωｒ／ｒａｄ?ｓ－１０．１３０２０．１２７５７．３％车身侧倾角%／ｒａｄ
０．０７２００．０６６７７．４％质心加速度Ｚ’ｓ／ｍ?ｓ－２
１．９１９０１．２２４０３６．２％车身俯仰角θ／ｒａｄ
０．００２３０．００１９１７．４％质心侧偏角β／ｒａｄ
－０．０２４０
－０．０２０７
１３．８％
被动系统
集成控制
５０
４０３０２０１０００
１０
２０
３０
４０
５０
频率ｆ／Ｈｚ
质心加速度功率
谱密度／ｍ２?ｓ－３
纯电动汽车整车控制器（TAC） 项目介绍： 纯电动汽车整车控制器对新能源汽车的动力性、安全性、经济性、操纵稳定性和舒适性等都有重要影响，它是新能源汽车上的一种关键装置。在车辆行驶过程中，整车控制器通过开关输入端口、模拟量转换模块、CAN总线等硬件线路采集路况信息、驾驶员意图、车辆状态、 设备运行状态等参数，依托高速运行的 CPU和控制端口来执行预设的控制算法和管理策略，再将指令和信息等通过 CAN总线、开关输出端口等对动力系统的执行部件进行实时的、可靠的、科学的控制，以实现车辆的动力性、可靠性和经济性。 其硬件结构框图如图一所示。
tihJTJt 川“ J人 整车控制器实物图如图二所 示。 it电" * st 电 M U 电柢第iC 4- if 邨 ESlh 卜 [? ■: *■ DC IX*科电乳 ■ 1 .^ptt'AN :■' - 彝竝 tt」 7%谢洩M!* WI KX T.7*帀小
性能指标: 1）工作环境温度：-30 C—+80C 2）相对湿度：5%~93% 3）海拔高度：不大于3000m 4）工作电压：18VDC —32VDC 5）防护等级：IP65 功能指标： 1）系统响应快，实时性高 2）采用双路 CAN总线（商用车 SAE J1939协议） 3）多路模拟量采样（采样精度10位）；2路模拟量输出（精度 12位）4）多路低/高端开关输出 5）多路I/O输入 6）关键信息存储 7）脉冲输入捕捉 8）低功耗，休眠唤醒功能 该项目使用的INFINEON 的物料清单:
整车控制器(VMS, vehicle management Syetem ),即动力总成控制器。是整个汽车的核心控制部件，它采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号，并做出相应判断后， 控制下层的各部件控制器的动作，驱动汽车正常行驶。作为汽车的指挥管理中心，动力总成控制器主要功能包括：驱动力矩控制、制动能量的优化控制、整车的能量管理、CAN网 络的维护和管理、故障的诊断和处理、车辆状态监视等，它起着控制车辆运行的作用。因此VMS的优劣直接影响着整车性能。 纯电动汽车整车控制器 (Vehicle Controller)是纯电动汽车整车控制系统的核心部件，它对汽车的正常行驶，再生能量回收，网络管理，故障诊断与处理，车辆的状态与监视等功能起着关键的作用。 与各部件控制器的动态控制相比，整车控制器属于管理协调型控制。 整个车辆系统采用一体化集成控制与分布式处理的车辆控制系统的体系结构，各部件都有 独立的控制器，整车控制器对整个系统进行能量管理及各部件的协调控制。为满足系统数 据交换量大，实时性、可靠性要求高的特点，整个分布式控制系统之间采用CAN总线进 行通讯。 整车控制器主要由控制器主芯片，Flash存储器和RAM存储器及相关电路组成，控制器主 芯片的输出与Flash存储器和RAM存储器的输入相连。 整车控制器通过 CAN总线接口连接到整车的 CAN网络上与整车其余控制节点进行信息交换和控制。 控制器硬件包括微处理器、CAN通信模块、BDM调试模块、串口通信模块、电源及保护 电路模块等。微处理器选用了Motorola公司专门为汽车电子开发的MCgS12，它具有运 算速度快和内部资源与接口丰富的特点，适合实现整车复杂的控制策略和算法。CAN通信 模块符合CAN2.0B技术规范，采用了光电隔离、电源隔离等多项抗干扰设计；BDM调试模块用于实时对控制程序进行调试、修改;串口通信模块用于对控制系统的诊断和标定；电源模块进行了二级滤波的冗余设计，保证控制器在车载12V系统供电情况下正常工作，并具短路保护功能。 CAN，全称为"Controller Area Network ”，即控制器局域网，是一种国际标准的，高性价的现场总线，在自动控制领域具有重要作用。CAN是一种多主方式的串行通讯总线，具有较高的实时性能，因此，广泛应用于汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域。 决策层控制单元是车辆智能化的关键，其收集车辆运行过程中的信息，并根据智能算法的决 策向物理器件层控制单元发送命令；动力源控制单元负责调节动力源系统部件以满足决策层控制单元的命令要求；驱动/制动控制单元则调节双向变量电机和能耗制动系统实现车辆的各种工况，如驱动控制、防抱制动等。 整车控制器功能需求： 整车控制器在汽车行驶过程中执行多项任务，具体功能包括：(1)接收、处理驾驶员的驾驶
基于纯电动汽车的整车控制器分析 发表时间：2019-09-12T11:46:14.157Z 来源：《基层建设》2019年第17期作者：丘东海[导读] 摘要：本文主要对纯电动汽车整车控制器做进一步的分析和了解。中兴智能汽车有限公司 519040 摘要：本文主要对纯电动汽车整车控制器做进一步的分析和了解。随着纯电动汽车的快速发展，整车电控系统成为一种非常重要的应用技术。纯电动汽车整车控制对整车控制系统的设计开发具有较强的指导意义。关键词：纯电动汽车；整车控制器；分析引言： 整车控制系统是纯电动汽车电控系统的三大核心技术之一，纯电动电控系统与传统汽车的控制系统相比，纯电的汽车电控系统的控制单元数量与复杂程度高出很多。电控系统是保证纯电动汽车整车功能集成和优化的核心单元，为保证纯电动汽车各部件系统在最佳工况下能够协调运行，需要制定相应的控制策略。纯电动汽车电控系统主要包括整车控制系统（简称VCU）、电池管理系统（简称BMS）、电机控制系统（简称MCU）、辅件控制系统等环节。整车控制系统确保各系统之间要协调工作，方能保证整车的稳定性和安全性，对纯电动汽车的发展意义重大。 一、整车控制系统的介绍 整车控制系统主要包括整车控制器、CAN总线通讯网络以及驾驶员意图解析系统、信息显示系统、动力驱动系统、电机控制系统、辅件控制系统等。作为纯电动汽车的核心部分，控制各个系统之间的相互配合。通过接收其他控制器发出的信号，比如驾驶员控制指令信息、加速踏板信息、制动踏板信息等，然后通过特定算法来处理这些信号，通过CAN总线通讯网络输出信号给相应的下层控制器去执行对应的动作。 整车控制策略作为VCU重要的软件部分。一套成熟、可靠的整车控制策略须包括以下部分：驾驶员解析控制策略、驱动控制策略、上下电管理控制策略、扭矩解析控制策略、辅件控制策略、能量回收控制策略、安全控制策略、故障诊断控制策略等。要能够符合驾驶员的操作需求，具备智能化的安全控制，从而保证车上人员的安全，提升汽车性能，提高纯电动汽车的续驶里程。 二、整车控制器的功能 VCU作为上层控制单元负责协调动力系统各个部件的运行，根据驾驶员操作信号进行驾驶意图解析、根据各部件和整车工作状态进行整车时序逻辑控制、安全管理和能量分配决策，向各部件控制器发送控制指令，并向仪表等显示设备输出整车电控系统状态信息。各部件控制器根据其指令控制相应部件，驱动汽车正常行驶。概括起来整车控制系统就是实现：（1）上下电管理，（2）驾驶员意图识别，（3）动力系统的扭矩解析控制，（4）能量回收管理，（5）辅件控制管理，（6）整车网络管理，（4）车辆状态监视和故障诊断及保护。整车控制器技术水平直接影响整车的动力性、经济性及安全性，是电动汽车的关键技术。 三、整车控制器的组成 VCU作为纯电动汽车控制系统最核心的部件，其承担了数据交换、安全管理、驾驶员意图解析、能量流管理的任务。VCU的功能划分如图1所示。 （1）数据交换层。该层对直接馈入整车控制器的物理量信息（如驾驶员的操作反馈的信息和其它执行部件的工作状态信息）进行采样处理，并通过I/O、D/A和PWM，提供对显示单元、继电器等的控制信号。（2）安全故障管理层车辆出现故障时，故障只体现在数据交换层。在检测出故障后，该层会做出相应的处理，在保证车辆安全性的条件下，给出执行部件可供使用的范围，以尽可能满足驾驶员的驾驶意图。（3）驾驶员意图解释层驾驶员的所有与驾驶操作相关的操作信号都直接进入整车控制器，整车控制器对采集的信息进行处理分析，计算出驱动系统的目标转矩和车辆行驶时的需求功率来实现驾驶员的驾驶意图。（4）能量流管理层，该层的主要工作是能量源之间进行需求功率分配。 四、整车控制器的硬件设计 （1）微控制器模块：本设计采用主从芯片设计，主从芯片之间进行校验，确保主芯片工作状态正常，主控制芯片选用SPC5606，是整车控制器的控制核心，包括主控制芯片（微控制器）及其外围电路，负责数据的运算及处理，也是控制方法实现的载体；（2）电源模块：为各输入和输出模块提供电源，并对蓄电池电压进行监控，与微控制器相连；（3）信号处理模块：用于模拟和数字量输入信号的调理，包括模拟量信号处理和数字量信号处理，其一端与传感器或开关相连，另一端与微控制器相接； （4）功率驱动模块：用于驱动多个继电器或系统状态指示灯，包括低端驱动和PW M驱动两部分，与微控制器通过I/O相连，另一端与被控继电器（低端驱动）或指示灯（PW M驱动）相接，微处理器可通过SPI总线进行故障诊断；（5）通讯模块：整车控制器与其他设备相连的接口，包括两路CAN总线、一路FlexRay总线、一路LIN总线及一路RS232总线，其中CAN总线是整车控制器最重要的对外通讯接口。整车控制器的整体硬件框图，如图2所示。
第22卷 第3期 2005年3月 公 路 交 通 科 技 Journal of Highway and T ransportation Research and Development V ol 122 N o 13 Mar 12005 文章编号:1002Ο0268(2005)03Ο0119Ο05 收稿日期:2004Ο03Ο16 基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)重大专题项目(2003AA501100) 作者简介:付正阳(1978-),男,北京人,清华大学汽车工程系硕士研究生,主要从事电动汽车方面的研究1 电动汽车电池组热管理系统的关键技术 付正阳,林成涛,陈全世 (清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084) 摘要:电池组热管理系统的研究与开发对于电动汽车的安全可靠运行有着非常重要的意义。本文分析了温度对电池组性能和寿命的影响,概括了电池组热管理系统的功能,介绍了电池组热管理系统设计的一般流程,并对设计热管理系统提出了建议。文章重点分析了设计电池组热管理系统过程中的关键技术,包括电池最优工作温度范围的确定、电池生热机理研究、热物性参数的获取、电池组热场计算、传热介质的选择、散热结构的设计等。关键词:电动汽车;电池组;热管理系统 中图分类号:T M911141 文献标识码:A K ey Technologie s of Thermal Management System for EV Battery Packs FU Zheng Οyang ,LIN Cheng Οtao ,CHEN Quan Οshi (S tate K ey Laboratory of Autom otive Safety and Energy ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ) Abstract :Research and development of battery thermal management system (BT MS )is very im portant for the operation safety and relia 2bility of electric vehicle (E V )1In this paper ,by analyzing the in fluence of tem perature on the per formance and service life of batteries ,the desired function of a BT MS was outlined ,a procedure for designing BT MS was introduced 1Several key technologies during designing a BT MS were introduced and analyzed ,including optimum operating tem perature range of a battery ,heat generation mechanism ,ac 2quisition of the therm odynamic parameters ,calculation of tem perature distribution ,selection of heat trans fer medium ,design of cooling structure and s o on 1 K ey words :E lectric vehicle ;Battery pack ;Thermal management system 0 引言 能源与环境的压力使传统内燃机汽车的发展面临前所未有的挑战,各国政府、汽车公司、科研机构纷纷投入人力物力开发内燃机汽车的替代能源和动力,这大大促进了电动汽车的发展。 电池作为电动汽车中的主要储能元件,是电动汽车的关键部件[1,2],直接影响到电动汽车的性能。电池组热管理系统的研究与开发对于现代电动汽车是必需的,原因在于:(1)电动汽车电池组会长时间工作 在比较恶劣的热环境中,这将缩短电池使用寿命、降 低电池性能;(2)电池箱内温度场的长久不均匀分布将造成各电池模块、单体性能的不均衡;(3)电池组的热监控和热管理对整车运行安全意义重大。 清华大学从承担国家“八五”电动汽车攻关项目以来,在电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车关键技术的研究中,积极开展了电池组热管理系统的研究,并在样车上进行了道路试验,目前电池组热管理系统的优化设计与改进工作正在进行中。本文是对前阶段研究工作的总结和今后工作的展望。
汽车电子稳定系统(ESP)( 汽车电子稳定系统或动态偏航稳定控制系统(Electronic Stability Program，ESP)是防抱死制动系统ABS、驱动防滑控制系统ASR、电子制动力分配系统EBD、牵引力控制系统TCS 和主动车身横摆控制系统AYC(Active Yaw Control)等基本功能的组合，是一种汽车新型主动安全系统。该系统是德国博世公司(B0SCH)和梅塞德斯-奔驰(MERCEDES-BENZ)公司联合开发的汽车底盘电子控制系统。 在汽车行驶过程中，因外界干扰，比如行人、车辆或环境等突然变化，驾驶员采取一些紧急避让措施，使汽车进入不稳定行驶状态，即出现偏离预定行驶路线或翻转趋势等危险状态。装置ESP的汽车能在极短的几毫秒时间内，识别并判定出这种汽车不稳定的行驶趋势，通过智能化的电子控制方案，让汽车的驱动传动系统和制动系统产生准确响应，及时恰当地消除汽车这些不稳定的行驶趋势，使汽车保持行驶路线和预防翻滚，避免交通事故的发生。 ESP系统是汽车主动安全措施的巨大突破，它通过控制事故发生的可能性来实现安全行车，使汽车在极其恶劣的行车环境中确保行驶的稳定性和安全性。 1．汽车电子稳定系统的组成 ESP在ABS和ASR各种传感器的基础上，增加了汽车转向行驶时横摆率传感器、车身翻转角速度传感器、侧加速度传感器、制动总泵中的液压力传感器和转向盘转角传感器等。其中最重要的是车身翻转角速度传感器，这种车用传感器是航天飞机和空间飞行器上使用的旋转角速度传感器的类似产品。车身翻转角速度传感器就像一个罗盘，适时地监控汽车行驶的准确姿态，监控汽车每个可能的翻转运动角速度。其他传感器则分别监控汽车的行驶速度和各车轮的速度差，监控转向盘的转动角度和汽车的水平侧向加速度，当制动发生时则监控制动力的大小和各车轮制动力的分配情况。 ESP系统包括车距控制、防驾驶员困倦、限速识别、并线警告、停车入位、夜视仪，周围环境识别、综合稳定控制和制动助力(BAS)9项控制功能。通过综合应用9种智能主动安全技术，ESP可将驾驶员对车辆失去控制的危险性降低80％左右。 ESP智能化随车微机控制系统，通过各种传感器，随时监测车辆的行驶状态和驾驶员的驾驶意图，及时向执行机构发出各种指令，以确保汽车在制动、加速、转向等状况下的行驶稳定性。
纯电动汽车整车控制器的设计 摘要：随着社会的发展与科技的进步，各个城市的汽车使用户喷井式增加。传 统的内燃机汽车消耗石油，排出大量废气，使得城市的空气质量不断下降。纯电 动汽车由于不使用传统化石能源，对环境不造成污染，受到人们的青睐。随着科 技的进步，电动汽车的核心技术不断地革新与突破，逐渐完善的城市基础设施提 供了有利的帮助，电动汽车已经成为潜力股，逐步取代传统汽车变为可能。本文 从汽车结构出发，结合整车信息传输过程，设计了整车控制器的软硬件结构。 关键词：纯电动汽车；整车控制器；硬件设计；软件设计 纯电动汽车作为新能源汽车的一种，以其清洁无污染、驱动能源多样化、能 量效率高等优点成为现代汽车的发展趋势。整车控制器（vehicle control unit，VCU）作为纯电动汽车整车控制系统的中心枢纽，主要实现数据采集和处理、控 制信息传递、整车能量管理、上下电控制、车辆部件控制和错误诊断及处理、车 辆安全监控等功能。国外在纯电动汽车整车控制器的产品开发中，积极推行整车 控制系统架构的标准化和统一化，汽车零部件厂商提供硬件电路和底层驱动软件，整车厂只需要开发核心应用软件，有利的推动了整车行业的快速发展。虽然国内 各大汽车厂商基本掌握了整车控制器的设计方案，开发技术进步明显，但是对核 心电子元器件、开发环境的严重依赖，所以导致了整车控制器的国产化水平较低。本文以复合电源纯电动汽车作为研究对象，针对电动汽车应有的结构和特性，对 整车控制器的设计和开发展开研究。 一、整车控制系统分析与设计 （一）整车控制系统分析 复合电源纯电动汽车整车控制系统主要由整车控制器、能量管理系统、整车 通信网络以及车载信息显示系统等组成。首先纯电动汽车整车控制器通过采集启动、踏板等传感器信号以及与电机控制器、能量管理系统等进行实时的信息交互，获取整车的实时数据，然后整车控制器通过所有当前数据对驾驶员意图和车辆行 驶状态进行判断，从而进入不同的工况与运行模式，对电机控制系统或制动系统 发出操控命令，并接受各子控制器做出的反馈。 保障纯电动汽车安全可靠运行，并对各个子控制器进行控制管理的整车控制器，属于纯电动汽车整车控制系统的核心设备。整车控制器实时地接收传感器传 输的数据和驾驶操作指令，依照给定的控制策略做出工况与模式的判断，实现实 时监控车辆运行状态及参数或者控制车辆的上下电，以整车控制器为中心通信节 点的整车通信网络，实现了数据快速、可靠的传递。 （二）整车控制系统设计 复合电源的结构设计，选择了超级电容与DC/DC串联的结构，双向DC/DC跟 踪动力电池电压来调整超级电容电压，使两者电压相匹配。为了车辆驾驶运行安全，同时为了更好地使超级电容吸收纯电动汽车的再生制动能量，在复合电源系 统中动力电池与一组由IGBT组成双向可控开关，防止了纯电动汽车处于再生制动状态时，动力电池继续供电，降低再生制动能量的吸收效率。 整车CAN通信网络设计，由整车控制器（VCU）、电机控制器（motor control unit，MCU）、电池管理系统（battery management system，BMS）、双向DC/DC控制器以及汽车组合仪表等控制单元（Electronic Control Unit，ECU）组成 了复合电源纯电动汽车的整车通信网络。 二、整车控制器硬件设计及软件设计
研修班毕业论文 电动汽车电池管理系统应用与分析 授课老师：邓亚东 专业：车辆工程 姓名：石琪 完成日期：2017年6月15日
摘要 随着社会的发展以及能源、环保等问题的日益突出，纯电动汽车以其零排放，噪声等优点越来越受到世界各国的重视，被称作绿色环保车。作为发展电动车的关键技术之一的电池管理系统（ＢＭＳ），是电动车产业纯的关键。，以锂电池为动力的电动自行车、混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车等受到了市场越来越多的关注。我国对电动车的发展极为重视，早在1992年就把电动车的开发发展列入国家的“八五”重点科技攻关项目，对电池管理系统以及充电机系统进行了长期深入的研究开发，在BMS方面取得很大的突破，与国外水平也较为接近，研制产品在纯电动和混合动力电动车上得到大量使用。但电池管理技术还并不成熟，电动汽车的发展及产业化，对动力蓄电池管理系统将具有巨大的市场需求，同时技术上也将提出更高的要求。 关键词：BMS 纯电动汽车动力电池锂电池 can通讯单片机
Abstract with the oil price, the energy shortage, the increasingly serious urban environment pollution, an alternative to oil development of new energy use more and more attention by governments. In the new energy system, battery systems is one of the indispensable important component. In recent years, with the lithium battery powered electric bicycle, hybrid cars, electric vehicles, fuel cell automobile, by the market more and more attention. The development of electric vehicle in China, a great importance in early 1992, the development of the electric car in national development of "five-year" key torch-plan projects of battery management system, and charging machine system for the long-term in-depth research development, in BMS gained great breakthrough, and foreign level also approaches, the research products in pure electric and hybrid electric vehicle got a lot of use. But battery management technology is still not mature, electric vehicles and the development of industrialization of motive battery management system, with the huge market demand, but technology will also put forward higher request. Keywords:BMS pure electric vehicle power battery lithium batteries can communication microcontroller
汽车发动机电子控制系统开发现状及趋势 丁志盛叶挺宁 摘要：介绍了汽车发动机电子控制系统相关技术背景、开发现状及发展趋势。 关键词：EECS,ECU汽车发动机电喷 一、汽车发动机电子控制系统概述 汽车发动机电子控制系统(Engine Electronic Control System，简称EECS)通过电子控制手段对发动机点火、喷油、空气与燃油的比率、排放废气等进行优化控制，使发动机工作在最佳工况，达到提高性能、安全、节能、降低废气排放的目的。汽车发动机电子控制系统主要包括： - 燃油喷射控制； - 点火系统控制； - 怠速控制； - 尾气排放控制； - 进气控制； - 增压控制； - 失效保护； - 后备系统； - 诊断系统等功能。 另外，随着网络、集成控制技术的广泛应用，作为汽车控制主要单元的EMS系统通过 CAN(Controllers Area Network)总线与其他控制系统，例如：安全系统(如ABS、牵引力电子稳定装置ESP (Electronic Stability Program))、底盘系统（如主动悬挂ABC(Active Body Control)）、巡航控制系统（Speed Control System或Cruse Control System）以及空调、防盗、音响等系统实现网络互联，实现信息共享并实施集成优化统一控制。在不久的将来，车载通讯平台将利用现有无线通讯网络为汽车驾驶提供更广泛的咨询、娱乐等增值服务（如GPS全球定位系统的应用）。 汽车发动机电子控制系统的开发主要涉及以下技术容： - 传感器 主要包括空气流量传感器、空气温度传感器、节气门位置传感器、冷却液温度传感器、转速传感
汽车电子稳定系统(ESP) 汽车电子稳定系统或动态偏航稳定控制系统(Electronic Stability Program，ESP)是防抱死制动系统ABS、驱动防滑控制系统ASR、电子制动力分配系统EBD、牵引力控制系统TCS和主动车身横摆控制系统AYC(Active Yaw Control)等基本功能的组合，是一种汽车新型主动安全系统。该系统是德国博世公司(B0SCH)和梅塞德斯-奔驰(MERCEDES-BENZ)公司联合开发的汽车底盘电子控制系统。 在汽车行驶过程中，因外界干扰，比如行人、车辆或环境等突然变化，驾驶员采取一些紧急避让措施，使汽车进入不稳定行驶状态，即出现偏离预定行驶路线或翻转趋势等危险状态。装置ESP的汽车能在极短的几毫秒时间内，识别并判定出这种汽车不稳定的行驶趋势，通过智能化的电子控制方案，让汽车的驱动传动系统和制动系统产生准确响应，及时恰当地消除汽车这些不稳定的行驶趋势，使汽车保持行驶路线和预防翻滚，避免交通事故的发生。 ESP系统是汽车主动安全措施的巨大突破，它通过控制事故发生的可能性来实现安全行车，使汽车在极其恶劣的行车环境中确保行驶的稳定性和安全性。 1．汽车电子稳定系统的组成 ESP在ABS和ASR各种传感器的基础上，增加了汽车转向行驶时横摆率传感器、车身翻转角速度传感器、侧加速度传感器、制动总泵中的液压力传感器和转向盘转角传感器等。其中最重要的是车身翻转角速度传感器，这种车用传感器是航天飞机和空间飞行器上使用的旋转角速度传感器的类似产品。车身翻转角速度传感器就像一个罗盘，适时地监控汽车行驶的准确姿态，监控汽车每个可能的翻转运动角速度。其他传感器则分别监控汽车的行驶速度和各车轮的速度差，监控转向盘的转动角度和汽车的水平侧向加速度，当制动发生时则监控制动力的大小和各车轮制动力的分配情况。 ESP系统包括车距控制、防驾驶员困倦、限速识别、并线警告、停车入位、夜视仪，周围环境识别、综合稳定控制和制动助力(BAS)9项控制功能。通过综合应用9种智能主动安全技术，ESP可将驾驶员对车辆失去控制的危险性降低80％左右。 ESP智能化随车微机控制系统，通过各种传感器，随时监测车辆的行驶状态和驾驶员的驾驶意图，及时向执行机构发出各种指令，以确保汽车在制动、加速、转向等状况下的行驶稳定性。 图1是汽车电子稳定系统ESP的各种传感器及电子稳定系统ECU在轿车上的安装，其ECU 中配置了两台56kB内存的微机。ESP系统利用这两台微机和各种传感器信号不间断地监控车内电子模块、系统的工作状态和汽车的行驶姿势，比如，速度传感器每相隔20ms就会自检一次。ESP系统还通过车内电子模块之间的信号交流通信网络，充分利用防抱死制动系统ABS、制动助力系统BAS和驱动防滑控制系统ASR等的先进功能。紧急情况下，如紧张的驾驶员对制动力施加不够，制动助力系统BAS将自动增大制动力。在ESP系统出现故障不能正常工作时，ABS和ASR系统能照样工作，以保证汽车正常行驶和制动。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710538323.X (22)申请日 2017.06.29 (71)申请人 知豆电动汽车有限公司 地址 315600 浙江省宁波市宁海县力洋镇 储家山路1号 (72)发明人 尹湘林 鲍文光 王红梅 闫优胜 樊晓浒 何志刚 (74)专利代理机构 杭州杭诚专利事务所有限公 司 33109 代理人 尉伟敏 (51)Int.Cl. B60H 1/00(2006.01) B60H 1/32(2006.01) B60H 1/22(2006.01) B60L 11/18(2006.01) (54)发明名称 电动汽车热管理系统 (57)摘要 本发明公开了一种电动汽车热管理系统，包 括乘员舱热管理模块和动力系统热管理模块，乘 员舱热管理模块包括电动压缩机、冷凝器、冷凝 风扇、膨胀阀、HVAC系统、第一水泵、水PTC加热器 和连接管路，动力系统热管理模块包括动力电池 包、水壶、第二水泵、散热器、散热器风扇、第三水 泵、控制器、逆变器、电机、热电板式换热器和连 接管路。动力系统热管理模块采用热电板式换热 器来实现。热电板式换热器根据珀耳帖效应，具 有加热和制冷功能。本发明具有结构简单，可靠 性好，控温精确，热利用率高，能有效提高电动汽 车电池使用效率和延长电动汽车行驶里程的特 点。权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 107310344 A 2017.11.03 C N 107310344 A
1.一种电动汽车热管理系统，其特征是，包括乘员舱热管理模块和动力系统热管理模块，乘员舱热管理模块包括制冷循环密闭系统和采暖循环密闭系统，制冷循环密闭系统包括电动压缩机（1）、冷凝器（2）、冷凝风扇（3）、膨胀阀（4）、HVAC系统（5）和连接管路，采暖循环密闭系统包括第一水泵（6）、水PTC加热器（7）和连接管路，动力系统热管理模块包括第一流体循环密闭系统和第二流体循环密闭系统，第一流体循环密闭系统包括动力电池包（8）、水壶（9）、第二水泵（10）、热电板式换热器（17）和连接管路，第二流体循环密闭系统包括散热器（11）、散热器风扇（12）、第三水泵（13）、控制器（14）、逆变器（15）、电机（16）、热电板式换热器（17）和连接管路。 2.根据权利要求1所述的电动汽车热管理系统，其特征是，动力系统热管理模块中的热电板式换热器包括第一流体进口（21）、第一流体出口（22）、第二流体进口（23）和第二流体出口（24），第一流体进口通过连接管路与第二水泵出口连接，第一流体出口通过连接管路与动力电池包进口连接，第二流体进口通过连接管路与第三水泵出口连接，第二流体出口通过连接管路与控制器进口连接。 3.根据权利要求1所述的电动汽车热管理系统，其特征是，热电板式换热器和散热器对动力系统热管理模块进行热管理。 4.根据权利要求2所述的电动汽车热管理系统，其特征是，第一流体和第二流体同时经过热电板式换热器进行加热或制冷，第一流体从热电板式换热器流出时的温度与第二流体从热电板式换热器流出时的温度差可以通过热电板式换热器工作电流大小进行调节，温度差调节在5℃-10℃比较合适。 5.根据权利要求1所述的电动汽车热管理系统，其特征是，当动力电池包不需要制冷或加热时，热电板式换热器停止工作，仅作流通通道，控制器、逆变器和电机依靠散热器和散热风扇进行降温。 6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的电动汽车热管理系统，其特征是，HVAC系统包括蒸发器（18）、鼓风机（19）、暖风芯体（20）和连接管路，蒸发器进口通过连接管路与膨胀阀出口连接，蒸发器出口通过连接管路与电动压缩机进口连接，暖风芯体进口通过连接管路与水PTC加热器出口连接，暖风芯体出口通过连接管路与第一水泵进口连接。 权 利 要 求 书1/1页CN 107310344 A
电动汽车电机控制器 一、电机控制器的概述 根据GB/T18488.1-2001《电动汽车用电机及其控制器技术条件》对电机控制器的定义，电机控制器就是控制主牵引电源与电机之间能量传输的装置、是由外界控制信号接口电路、电机控制电路和驱动电路组成。 电机、驱动器和电机控制器作为电动汽车的主要部件,在电动汽车整车系统中起着非常重要的作用,其相关领域的研究具有重要的理论意义和现实意义。 二、电机控制器的原理 图1汽车电机控制器原理图 电机控制器作为整个制动系统的控制中心，它由逆变器和控制器两部分组成。逆变器接收电池输送过来的直流电电能，逆变成三相交流电给汽车电机提供电源。控制器接受电机转速等信号反馈到仪表，当发生制动或者加速行为时，控制器控制变频器频率的升降，从而达到加速或者减速的目的。 三、电机控制器的分类 1、直流电机驱动系统 电机控制器一般采用脉宽调制(PWM)斩波控制方式，控制技术简单、成熟、成本低，但效率低、体积大等缺点。 2、交流感应电机驱动系统 电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换，采用变频调速方式实现电机调速，采用矢量控制或直接转矩控制策略实现电机转矩控制的快速响应。 3、交流永磁电机驱动系统 包括正弦波永磁同步电机驱动系统和梯形波无刷直流电机驱动系统，其中正弦波永磁同步电机控制器采用PWM方式实现高压直流到三相交流的电源变换，采用变频调速方式实现电机调速；梯形波无刷直流电机控制通常采用“弱磁调速”方式实现电机的控制。由于正弦波永磁同步电机驱动系统低速转矩脉动小且高速恒功率区调速更稳定，因此比梯形波无刷直流电机驰动系统具有更好的应用前景。
4、开关磁阻电机驱动系统 开关磁阻电机驱动系统的电机控制一般采用模糊滑模控制方法。目前纯电动汽车所用电机均为永磁同步电机，交流永磁电机采用稀土永磁体励磁，与感应电机相比不需要励磁电路，具有效率高、功率密度大、控制精度高、转矩脉动小等特点。 四、电动控制器的相关术语 1、额定功率：在额定条件下的输出功率。 2、峰值功率：在规定的持续时间内，电机允许的最大输出功率。 3、额定转速：额定功率下电机的转速。 4、最高工作转速：相应于电动汽车最高设计车速的电机转速。 5、额定转矩：电机在额定功率和额定转速下的输出转矩。 6、峰值转矩：电机在规定的持续时间内允许输出的最大转矩。 7、电机及控制器整体效率：电机转轴输出功率除以控制器输入功率再乘以100%。
汽车电子介绍及控制系统 汽车电子是车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控 制装置的总称。 车体汽车电子控制装置，包括发动机控制系统、底盘控制系统和车身电子控制系统（车身电子ECU）。车体汽车电子控制装置有如赤裸裸的、不穿戴任何衣物饰物的人体；车载汽车电子包括汽车信息系统、汽车导航系统和汽车娱乐系统。车载汽车电子控制装置有如人身的衣物、饰物。汽车电子分类随着汽车电子技术朝着集成化、智能化、网络化、模块化的方向发展，上述分类可能会有交叉与融合。汽车电子地位: 汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。汽车制造商认为增加汽车电子设备的数量、促进汽车电子化是夺取未来汽车市场的重要的有效手段。 据统计，从1989年至2000年，平均每辆车上电子装置在整个汽车制造成本中所占的比例由16%增至23%以上。一些豪华轿车上，使用单片微型计算机的数量已经达到48个，电子产品占到整车成本的50%以上，目前电子技术的应用几乎已经深入到汽车所有的系统。汽车电子类别: 按照对汽车行驶性能作用的影响划分，可以把汽车电子产品
归纳为两类：一类是汽车电子控制装置，汽车电子控制装置要和车上机械系统进行配合使用，即所谓“机电结合”的汽车电子装置；它们包括发动机、底盘、车身电子控制。例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制、防滑控制、牵引力控制、电子控制悬架、电子控制自动变速器、电子动力转向等，另一类是车载汽车电子装置，车载汽车电子装置是在汽车环境下能够独立使用的电子装置，它和汽车本身的性能并无直接关系。它们包括汽车信息系统（行车电脑）、导航系统、汽车音响及电视娱乐系统、车载通信系统、上网设备等。目前电子技术发展的方向向集中综合控制发展：将发动机管理系统和自动变速器控制系统，集成为动力传动系统的综合控制（PCM）；将制动防抱死控制系统（ABS）、牵引力控制系统（TCS）和驱动防滑控制系统（ASR）综合在一起进行制动控制；通过中央底盘控制器，将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过总线进行连接。控制器通过复杂的控制运算，对各子系统进行协调，将车辆行驶性能控制到最佳水平，形成一体化底盘控制系统（UCC）。由于汽车上的电子电器装置数量的急剧增多，为了减少连接导线的数量和重量，网络、总线技术在此期间有了很大的发展。总线技术是将各种汽车电子装置连接成为一个网络，通过数据总线发送和接收信息。电子装置除了独立完成各自的控制功能外，还可以为其它控制装置提供数据服务。由于使用了网络化的设计，简
课程单元教学设计任课教师：科目纯电动汽车整车控制系统检修授课班级：
一、知识一、任务导入 假如你是北汽新能源4S店的一名车辆维修人员，需要对某待维修 的车辆进行整车状态参数读取，请问你会正确使用故障诊断仪进行 数据流读取吗? 二、容及过程设计 教师活动 1、电动汽车整车控制系统的作用 1.1控制系统的基本概念 控制系统一般包括传感器、控制器和执行元件。传感器采集信 息并转换成电信号发送给控制器，控制器根据传感器的信息进行运 算、处理和决策，并向执行元件发送控制指令以完成某项控制功能。 1.1.2北汽EV160纯电动汽车整车控制系统的组成 北汽EV160纯电动汽车的整车控制系统结构如图所示，按照各 部件的功能，可以将整车控制系统分为动力电池系统、充电系统、 驱动电机系统、传动系统、电动助力转向系统、制动系统等。该车 的主要高压部件，都集中在了汽车前机舱，如电机控制器、高压控 制盒DC/DC变换器、车载充电机、驱动电机等。 教 师： 引 出 话 题 教 师： 板 书、 展 示、 解 说、 提 问 提 问、 启 发 比 喻 多 媒 体 展 示、 互 动 步骤教学容教师、 学生 活动 教 学 方 法 与 手 段 时 间 分 配
二、 技能 一、技能训练项目及组织 2、实训组织 1）分两组，每次一组组，其他学生完成布置作业 2）实习、学习指导（教师分工 （1）一位教师负责实训室进行操作示 （2）另一位教师负责指导完成相关学习任务 3、使用设备 教师： 示演 示
4、安全和纪律要求 1、穿好工作服、讲究仪容仪表 2、服从安排，遵守纪律，讲究秩序 3、不允许擅自乱动设备 5、学习评估 按学校要求评估
1. Tesla目前推出了两款电动汽车，Roadster和Model S，目前我收集到的Roadster的资料较多，因此本回答重点分析的是Roadster的电池管理系统。 2. 电池管理系统（Battery Management System, BMS）的主要任务是保证电池组工作在安全区间内，提供车辆控制所需的必需信息，在出现异常时及时响应处理，并根据环境温度、电池状态及车辆需求等决定电池的充放电功率等。BMS的主要功能有电池参数监测、电池状态估计、在线故障诊断、充电控制、自动均衡、热管理等。我的主要研究方向是电池的热管理系统，因此本回答分析的是电池热管理系统 (Battery Thermal Management System, BTMS). 1. 热管理系统的重要性 电池的热相关问题是决定其使用性能、安全性、寿命及使用成本的关键因素。首先，锂离子电池的温度水平直接影响其使用中的能量与功率性能。温度较低时，电池的可用容量将迅速发生衰减，在过低温度下（如低于0°C）对电池进行充电，则可能引发瞬间的电压过充现象，造成内部析锂并进而引发短路。其次，锂离子电池的热相关问题直接影响电池的安全性。生产制造环节的缺陷或使用过程中的不当操作等可能造成电池局部过热，并进而引起连锁放热反应，最终造成冒烟、起火甚至爆炸等严重的热失控事件，威胁到车辆驾乘人员的生命安全。另外，锂离子电池的工作或存放温度影响其使用寿命。电池的适宜温度约在10~30°C 之间，过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。动力电池的大型化使得其表面积与体积之比相对减小，电池内部热量不易散出，更可能出现内部温度不均、局部温升过高等问题，从而进一步加速电池衰减，缩短电池寿命，增加用户的总拥有成本。 电池热管理系统是应对电池的热相关问题，保证动力电池使用性能、安全性和寿命的关键技术之一。热管理系统的主要功能包括：1）在电池温度较高时进行有效散热，防止产生热失控事故；2）在电池温度较低时进行预热，提升电池温度，确保低温下的充电、放电性能和安全性；3）减小电池组内的温度差异，抑制局部热区的形成，防止高温位置处电池过快衰减，降低电池组整体寿命。 2. Tesla Roadster的电池热管理系统 Tesla Motors公司的Roadster纯电动汽车采用了液冷式电池热管理系统。车载电池组由6831节18650型锂离子电池组成，其中每69节并联为一组（brick），再将9组串联为一层（sheet），最后串联堆叠11层构成。电池热管理系统的冷却液为50%水与50%乙二醇混合物。 图 1.(a)是一层（sheet）内部的热管理系统。冷却管道曲折布置在电池间，冷却液在管道内部流动，带走电池产生的热量。图 1.(b)是冷却管道的结构示意图。冷却管道内部被分成四个孔道，如图 1.(c)所示。为了防止冷却液流动过程中温度逐渐升高，使末端散热能力不佳，热管理系统采用了双向流动的流场设计，冷却管道的两个端部既是进液口，也是出液口，如图 1(d)所示。电池之间及电池和管道间填充电绝缘但导热性能良好的材料（如Stycast 2850/ct），作用是：1)将电池与散热管道间的接触形式从线接触转变为面接触；2)有利于提高单体电池间的温度均一度；3)有利于提高电池包的整体热容，从而降低整体平均温度。
浅谈汽车电子稳定程序 前言 随着汽车行驶速度的提高,道路行车密度的增大,汽车行驶安全性已经受到了高度关注。汽车的行驶安全性能要求不断提高,汽车安全系统已经成为汽车研究发展的重要部分。 汽车安全性包括主动安全性和被动安全性两大类。汽车主动 安全是指事故发生前的安全，即实现事故预防和事故回避，防止 事故发生。主动安全性是指通过事先预防，避免或减少事故发生 的能力。被动安全性是指汽车在发生意外事故时对乘员进行有效 保护的能力。汽车的主动安全性因其防患于未然，所以越来越受 到汽车厂商和消费者的重视，越来越多的先进技术也被应用到汽 车主动安全装置上。主动安全性的好坏决定了汽车产生事故发生概率的多少，而被动安全性的好坏主要决定了事故后车内成员的受伤严重程度。 目前广泛运用的汽车主动安全性系统主要有防抱死制动系统（ABS）、驱动防滑系统〔ASR〕、牵引力控制系统 (TCS)、汽车电子稳定程序系统(ESP),汽车电子制动力分配系统(EBD), 紧急刹车辅助系统 (EBA)、汽车自适应巡航速度控制系统(ACC)等,保证汽车在危险状况下行驶的安全性。上述这些系统具有智能化的控制作用,根据车辆的行驶状况,自动地完成对汽车制动性能、转向辅助等的控制,无需人的主动性操作,可见汽车安全系统已经向智能型方向发展。
摘要 本文探讨了ESP系统的原理、发展和现状。简要讨论汽车 ESP 系统的结构及关键技术。介绍新奥迪 A4轿车 ESP系统的组成、电控系统、液压单元及工作过程。 关键词：电子稳定程序，主动安全性，操纵稳定性，模糊控制传感器液压控制单元电子控制单元 ESP系统实际是一种牵引力控制系统，与其他牵引力控制系统比较，ESP不但控制驱动轮，而且可控制从动轮。如后轮驱动汽车常出现的转向过多情况，此时后轮失控而甩尾，ESP便会刹慢外侧的前轮来稳定车子；在转向过少时，为了校正循迹方向，ESP则会刹慢内后轮，从而校正行驶方向。 ESP系统是汽车上一个重要的系统，通常是支持ABS及ASR 的功能。它通过对从各传感器传来的车辆行驶状态信息进行分析，然后向ABS、ASR发出纠偏指令，来帮助车辆维持动态平衡。ESP可以使车辆在各种状况下保持最佳的稳定性，在转向过度或转向不足的情形下效果更加明显。ESP一般需要安装转向传感器、车轮传感器、侧滑传感器、横向加速度传感器等。 ESP系统包含ABS（防抱死刹车系统）及ASR（驱动防滑转系统），是这两种系统功能上的延伸。因此，ESP称得上是当前汽车